Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
PSI 3481 SISTEMAS ÓPTICOS E DE MICRO- ONDAS Fibras Ópticas Fibras Ópticas • Luz guiada: reflexão interna total (1854) • Fibra Óptica: multicamadas (1950). • Antes de 1970: perda 1000 dB/Km • Em 1970: perda 20 dB/Km • Em 1979: perda 0,2 dB/Km (1,55 m). Fibras Ópticas Multimodo Fibras Ópticas Fibra com perfil com perfil em degrau do índice de refração Fibra com perfil com perfil graduado do índice de refração Perfil em degrau do índice de refração Fibras Ópticas Multimodo Aproximação de óptica geométrica Apertura numérica Diferença relativa de índice Lei de Snell nas diferentes interfaces Interface de excitação Interface núcleo/camada externa 𝑛1𝑠𝑖𝑛∅ = 𝑛2𝑠𝑖𝑛∅𝑟 Condição critica para o guiamento da luz Tempo de atraso Figura de mérito BL da fibra Fibras Ópticas Multimodo Aproximação de óptica geométrica Perfil graduado do índice de refração: Aproximação para-axial Eliminação da dispersão modal : parâmetro do perfil do índice de refração Para = 2 Fibras Ópticas Multimodo Aproximação de óptica geométrica Perfil graduado do índice de refração Fibra multimodo na pratica Curva de dispersão intermodal T/L em função do parâmetro de perfil do índice de refração Mínimo da curva de dispersão intermodal em: Figura de mérito BL da fibra Representação da propagação da luz através de fibras multimodo e monomodo Fibras Ópticas Modelos ondulatórios • Equações de Mawell Equação de onda para meios homogêneos • Equações constitutivas • Fibra com perfil graduado do índice de refração Fibras Ópticas Modelos ondulatórios 𝑛2 𝑟 = 𝑛2 1 − 𝑛2 𝑛 𝑟2 𝛻2𝑬 + 𝑘2 1 − 𝑛2 𝑛 𝑟2 𝑬 = 0 𝐸𝑙,𝑚 𝑥, 𝑦, 𝑧 = 𝐸0𝐻𝑙 2 𝑥 𝜎 𝐻𝑚 2 𝑦 𝜎 exp − 𝑥2 + 𝑦2 𝜎2 𝛽𝑙,𝑚 = 𝑘 1 − 2 𝑘 𝑛2 𝑛 𝑙 + 𝑚 + 1 1 2 𝜎 = 𝜋 1 𝑛𝑛2 1 4 Perfil do índice de refração Equação de onda Forma da onda Vetor de propagação Tamanho do feixe guiado Polinômios de Hermite 𝑑2𝐻 𝑑𝑥2 − 2𝑥 𝑑𝐻 𝑑𝑥 + 2𝑚𝐻 𝐻𝑛+1 𝑥 = 2𝑥𝐻𝑛(𝑥) − 2𝑛𝐻𝑛−1(𝑥) Equação de Hermite Formula de recorrência H0(x) = 1 H1(x) = 2x H2(x) = 4x 2 − 2 H3(x) = 8x 3 − 12x H4(x) = 16x 4 − 48x 2 + 12 Equação do Oscilador Harmônico 𝑑2ψ 𝑑𝑥2 + (2𝑚 + 1 − 𝑥2)ψ=0 ψ 𝑥 = 𝐴𝐻𝑚 2 𝑎 𝑥 exp (− 𝑥2 𝑎2 ) m= 0,1,2,3, .... Perfil da intensidade do campo elétrico para os modos normais de uma fibra óptica com índice de refração de perfil graduado Perfil da intensidade do campo elétrico para os modos normais de uma fibra óptica com índice de refração de perfil graduado Fibras Ópticas Modelos ondulatórios • Fibra cilíndrica de índice de refração com perfil em degrau Perfil do índice de refração Equação de Helmoltz em coordenadas cilíndricas y x z a Funções de Bessel do tipo Jn(x) e Yn(x) 022 2 2 2 ynx dx dy x dx yd x y(x)= Jn(x) 𝑌𝑛 𝑥 = 𝑙𝑖𝑚𝛾→𝑛 cos 𝛾𝜋 𝐽𝑛 𝑥 − 𝐽−𝑛(𝑥) sin (𝛾𝜋) Funções de Bessel do tipo In(x) e Kn(x) 022 2 2 2 yx dx dy x dx yd x 𝑦 𝑥 = 𝐼𝛾(𝑥) 𝐾𝛾 = 𝜋 2 𝐼−𝛾 𝑥 − 𝐼𝛾(𝑥) sin (𝛾𝜋) Fibras Ópticas Modelos ondulatórios • Fibra cilíndrica de índice de refração com perfil em degrau 𝐸𝜌 = 𝑖 𝑝2 𝛽 𝜕𝐸𝑧 𝜕𝜌 + 𝜇0 𝜔 𝜌 𝜕𝐻𝑧 𝜕𝜑 𝐸𝜑 = 𝑖 𝑝2 𝛽 𝜌 𝜕𝐸𝑧 𝜕𝜑 − 𝜇0𝜔 𝜕𝐻𝑧 𝜕𝜌 𝐻𝜌 = 𝑖 𝑝2 𝛽 𝜕𝐻𝑧 𝜕𝜌 − 𝜀0𝑛 2 𝜔 𝜌 𝜕𝐸𝑧 𝜕𝜑 𝐻𝜑 = 𝑖 𝑝2 𝛽 𝜌 𝜕𝐻𝑧 𝜕𝜑 + 𝜀0𝑛 2𝜔 𝜕𝐻𝑧 𝜕𝜌 𝐸𝜌 = −𝑖 𝑞2 𝛽 𝜕𝐸𝑧 𝜕𝜌 + 𝜇0 𝜔 𝜌 𝜕𝐻𝑧 𝜕𝜑 𝐸𝜑 = 𝑖 𝑞2 𝜇0𝜔 𝜕𝐻𝑧 𝜕𝜌 − 𝛽 𝜌 𝜕𝐸𝑧 𝜕𝜑 𝐻𝜌 = 𝑖 𝑞2 𝜀0𝑛 2 𝜔 𝜌 𝜕𝐸𝑧 𝜕𝜑 − 𝛽 𝜕𝐻𝑧 𝜕𝜌 𝐻𝜑 = −𝑖 𝑞2 𝛽 𝜌 𝜕𝐻𝑧 𝜕𝜑 + 𝜀0𝑛 2𝜔 𝜕𝐻𝑧 𝜕𝜌 a > a Solução da equação de Helmoltz Jm, Km: Funções de Bessel As outras componentes dos campos elétrico e magnético são determinadas a partir das equações de Maxwell 𝐸𝑧 = 𝐴𝐽𝑚 𝑝𝜌 exp 𝑖𝑚∅ exp 𝑖𝛽𝑧 ; 𝜌 ≤ 𝑎 𝐶𝐾𝑚 𝑞𝜌 exp 𝑖𝑚∅ exp 𝑖𝛽𝑧 ; 𝜌 > 𝑎 𝐻𝑧 = 𝐵𝐽𝑙 𝑝𝜌 exp 𝑖𝑙∅ exp 𝑖𝛽𝑧 ; 𝜌 ≤ 𝑎 𝐷𝐾𝑙 𝑞𝜌 exp 𝑖𝑙∅ exp 𝑖𝛽𝑧 ; 𝜌 > 𝑎 Fibras Ópticas Modelos ondulatórios • Fibra cilíndrica de índice de refração com perfil em degrau Equação de dispersão para a constante de propagação a partir das condições de fronteira na interface núcleo/camada externa ( = a) J´m e K´m são as primeiras derivadas das funções de Bessel Jm, Km respectivamente A solução desta equação para é numérica. A existência de soluções de para diferentes valores dos coeficientes: m e l = 1,2,3,.. dão origem aos diferentes modos de propagação: m,l 𝐽′𝑚(𝑝𝑎) 𝑝𝐽𝑚(𝑝𝑎) + 𝐾′𝑚(𝑞𝑎) 𝑞𝐾𝑚(𝑞𝑎) 𝐽′𝑚(𝑝𝑎) 𝑝𝐽𝑚(𝑝𝑎) + 𝑛2 2 𝑛1 2 𝐾′𝑚(𝑞𝑎) 𝑞𝐾𝑚(𝑞𝑎) = 𝑚2 𝑎2 1 𝑝2 + 1 𝑞2 1 𝑝2 + 𝑛2 2 𝑛1 2 1 𝑞2 Continuidade dos campos tangenciais Condições de Dirichlet 𝑵𝑥 𝑬1 − 𝑬2 = 0 𝑵𝑥 𝑯1 −𝑯2 = 0 Continuidade dos campos normais Condições de Neumann 𝑵. 𝐷1 − 𝐷2 = 0 𝑵. 𝐵1 − 𝐵2 = 0 N : vetor normal à interfase região 1/região 2 • Fibra cilíndrica de índice de refração com perfil em degrau • Nomenclatura dos modos m,l : constante de propagação m, l : 1,2,3,.... Definem os diferentes modos de propagação 𝑛 𝑚,𝑙 = 𝛽𝑚,𝑙 𝑘0 Índice de refração efetivo do modo (m,l) 𝑛2 < 𝑛 𝑚,𝑛 ≤ 𝑛1 : Fibras Ópticas Modelos ondulatórios 𝑛 𝑚,𝑛 ≤ 𝑛2 : Condição necessaria dos modos guiados Modos não guiados Hz, Ez 0 𝐻𝐸𝑚,𝑙 → 𝐻𝑧 𝑑𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑡𝑒 𝐸𝐻𝑚,𝑙 → 𝐸𝑧 𝑑𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑡𝑒 Modos híbridos m = 0 Modos transversais 𝐻𝐸0,𝑙 → 𝑇𝐸0,𝑙 𝑀𝑜𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 𝐸𝐻0,𝑙 → 𝑇𝑀0,𝑙 𝑀𝑜𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜 𝑚𝑎𝑔𝑛𝑒𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 Frequência normalizada: define a condição de corte e o número de modos guiados Numero de modos = V2/2 Constante de propagação normalizada Fibras Ópticas Modelos ondulatórios • Fibra cilíndrica de índice de refração com perfil em degrau Condição de corte dos modos guiados “cut off” 𝑘𝑚 𝑞𝜌 = 𝜋 2𝑞𝜌 1 2 exp (−𝑞𝜌) Perfil do campo região da camada externa 𝑞 = 0 𝑜𝑢 𝑛 = 𝑛2 Limite para a condição de corte Fibras Ópticas Modelos ondulatórios • Fibra cilíndrica de índice de refração com perfil em degrau Curva da constante de propagação normalizada “b” em função da frequência normalizada “V” Fibras Ópticas Modelos ondulatórios • Fibra cilíndrica de índice de refração com perfil em degrau A fibra óptica mono modo suporta somente o modo HE11 : modo fundamental Regra de projeto para uma fibra mono -modo Modos TE0,1 e TM0,1 na condição de corte m = 0 q = 0 pa = V 𝑉 = 2𝜋 λ 𝑎𝑛1 2Δ < 2,405 Fibras para telecomunicação λ = 1,55 µm, a = 4 µm • O modo HE11 é um modo linearmente polarizado conhecido também como modo LP01 • Transformando os campos em coordenadas cartesiana (x,y,z) teremos: • Sem perda de generalidade EY = 0 Perfil do campo da luz guiada na fibra mono-modo 𝐸𝑋 = 𝐸𝜌𝑐𝑜𝑠φ − 𝐸𝜑𝑠𝑒𝑛𝜑 𝐸𝑌 = 𝐸𝜌𝑠𝑒𝑛φ + 𝐸𝜑𝑐𝑜𝑠𝜑 𝐸𝑧 = 𝐴𝐽𝑚 𝑝𝜌 exp 𝑖𝑚∅ exp 𝑖𝛽𝑧 ; 𝜌 ≤ 𝑎𝐶𝐾𝑚 𝑞𝜌 exp 𝑖𝑚∅ exp 𝑖𝛽𝑧 ; 𝜌 > 𝑎 𝐻𝑧 = 𝐵𝐽𝑚 𝑝𝜌 exp 𝑖𝑚∅ exp 𝑖𝛽𝑧 ; 𝜌 ≤ 𝑎 𝐷𝐾𝑚 𝑞𝜌 exp 𝑖𝑚∅ exp 𝑖𝛽𝑧 ; 𝜌 > 𝑎 𝐸𝜌 = 𝑖 𝑝2 𝛽 𝜕𝐸𝑧 𝜕𝜌 + 𝜇0 𝜔 𝜌 𝜕𝐻𝑧 𝜕𝜑 𝐸𝜑 = 𝑖 𝑝2 𝛽 𝜌 𝜕𝐸𝑧 𝜕𝜑 − 𝜇0𝜔 𝜕𝐻𝑧 𝜕𝜌 a 𝐸𝑥 = 𝐸0 𝐽0 𝑝𝜌 /𝐽0 𝑝𝑎 𝑒𝑥𝑝 𝑖𝛽𝑧 ; 𝜌 ≤ 𝑎 𝐾0 𝑞𝜌 /𝐾0 𝑞𝑎 𝑒𝑥𝑝 𝑖𝛽𝑧 ; 𝜌 > 𝑎 𝐸𝑦 = 0 𝐸𝑧 ≈ 0 𝐻𝑦 = 𝑛 𝜀0 𝜇0 1/2 𝐸𝑥 𝐻𝑥 = 0 𝐻𝑧 ≈ 0 Modo linearmente polarizado Tamanho do feixe na fibra óptica monomodo Perfil do campo: Aproximação de função Gaussiana: Expressão analítica para o tamanho do feixe Área efetiva do feixe Fator de confinamento Curva do tamanho normalizado do feixe em função da frequência normalizada 𝑉 = 2 ? Γ = 0,75 𝑉 = 1 ? Γ = 0,2 Fibras para telecomunicação 2 < 𝑉 < 2,4 Índice de refração de grupo depende da frequência do sinal: Processos de Dispersão nas Fibras Ópticas Dispersão de velocidade de grupo : “GVD” Velocidade de grupo: 𝑣𝑔 = 𝑑𝛽 𝑑𝜔 −1 = 𝑐 𝑛𝑔 Alargamento do sinal pulsado : Parâmetro GVD L: comprimento da fibra Δω: Largura espectral do pulso Processos de Dispersão nas Fibras Ópticas Dispersão de velocidade de grupo : “GVD” Alargamento do sinal pulsado: Parâmetro de dispersão: [ps/Km-nm] Efeito da dispersão na taxa de transmissão de bits 𝐵𝑇 < 1; 𝐵𝐿 𝐷 < 1 Fibra de sílica: D = 1ps/Km-nm Laser de semicondutor: = 2 -4 nm BL < 500 (Gb/s) - Km Processos de Dispersão nas Fibras Ópticas Dispersão de velocidade de grupo : “GVD” Dispersão do material Dispersão da onda guiada Dispersão do material Processos de Dispersão nas Fibras Ópticas Dispersão de velocidade de grupo : “GVD” Variação do índice de refração “n” e índice de refração de grupo “ng” em função do comprimento de onda da luz para a sílica (Fused silica) 𝑛𝑔 = 𝑛 + 𝜔 𝑑𝑛 𝑑𝜔 𝐷𝑀 = 1 𝑐 𝑑𝑛𝑔 𝑑λ 𝐷𝑀 = 122 1 − λ𝑍𝐷 λ 𝐷𝑀 λ𝑍𝐷 = 0 Índice de refração do material Índice de refração de grupo Dispersão do material Dispersão do material obtida a partir das curvas da Figura λ𝑍𝐷 = 1,276 𝜇𝑚 Comprimento de onda para dispersão zero Dispersão de onda guiada Processos de Dispersão nas Fibras Ópticas Dispersão de velocidade de grupo : “GVD” DW < 0 (negativo) Curva valida no intervalo de comprimento de onda da luz compreendida entre 0 e 1,6 m Comportamento da Dispersão Total (GVD) Processos de Dispersão nas Fibras Ópticas • DW desloca ZD em 30 a 40 nm • Valores típicos em 1,55 m: D = 15 a 18 ps/(Km-nm) • Faixa de operação dos sistemas de comunicação óptica: 1,3 – 1,6 m (DW < 0) • DW = DW(a,) ZD pode ser deslocado por exemplo para 1,55 m: Fibra com deslocamento de dispersão • Projeto de fibra com pequeno na faixa de 1,3 a 1,6 m Fibra com dispersão achatada. Curvas da dispersão total, dispersão do material e dispersão de onda guiada respectivamente Curvas típicas da dispersão total fibras ópticas padrões, com deslocamento de dispersão e com dispersão achatada respectivamente. Processos de Dispersão nas Fibras Ópticas Dispersão de ordem superior Processo de terceira ordem governados por: Dispersão diferencial: Parâmetro de dispersão de terceira ordem: Limite do produto taxa de bits - distância “BL”: Exemplo: = 2 nm (laser de semiconductor = 1,55 m S= 0.05ps/(Km-nm2) BL = 5 (Tb/s)-Km Características de algumas fibras ópticas comerciais Processos de Dispersão nas Fibras Ópticas • Birrefringência: Índice de refração depende da direção promove batimento da intensidade do campo • Grau da birrefringência modal: • Período do comprimento do batimento: Processos de Dispersão nas Fibras Ópticas Efeito birrefringente Dispersão de modo-polarização: Efeito birrefringente Defeitos geométricos originam efeitos birrefringentes randômicos Degradação do pulso: efeito de aumento da largura do pulso Minimizar a degradação introduzindo birrefringência alta: Bm = 10 -4 Processos de Dispersão nas Fibras Ópticas ∆𝜏 𝐿 = 𝐵𝑚 𝑐 Dispersão birrefringente Valores típicos 𝐵𝑚 = 10 −7 ∆𝜏 𝐿 = 3,3 𝑝𝑠/𝐾𝑚 • Fibras com birrefringência constante: Tempo de retardo • Fibras ópticas com birrefringência randômica Induzem alargamento do pulso • Modelagem: seções pequenas de fibra com birrefringência definida e randômica entre seções: (T: alargamento do pulso) Similar ao da fibra com birrefringência constante Dispersão de modo-polarização: Efeito birrefringente Processos de Dispersão nas Fibras Ópticas T/L ate 1 ns/Km lc: Comprimento de correlação Dp: Parâmetro de dispersão modo polarização (PMD) 𝐷𝑝 = 0.01 𝑎 10 𝑝𝑠 𝐾𝑚 Fibras modernas: 𝐷𝑝 < 0.1 𝑝𝑠 𝐾𝑚 Equações básicas de propagação: fibras mono-modo Limitações induzidas pela dispersão Onde: Equação básica de propagação Característica de um pulso com batimento Limitações induzidas pela dispersão Amplitude de um pulso com batimento: Transformada de Fourier: batimento Largura média espectral: Conclusão: A largura do pulso é magnificado por um fator igual a 𝟏 + 𝑪𝟐 𝟏/𝟐 Solução para 3 = 0: O batimento muda: Propagação de pulsos com batimento (CHIRP) Limitações induzidas pela dispersão Solução da equação de propagação: Conclusão: O pulso Gaussiano permanece Gaussiano durante a propagação, a largura e amplitude do pulso mudam segundo Q(z). Para: Expressão geral do alargamento do pulso para uma fibra monomodo de comprimento igual a L: Fator de alargamento do pulso: Propagação de pulsos com batimento (CHIRP) Limitações induzidas pela dispersão Comprimento de dispersão Fonte com largura espectral grande: Para o sistema operado em ZD Então podemos considera 𝛽3 ≈ 0, 𝐶 = 0 Propagação de pulsos com batimento (CHIRP) Limitação na taxa de dados “B” Limitações induzidas pela dispersão e Para o sistema operado em = ZD Então podemos considera 𝛽3 ≠ 0 Fonte com largura espectral estreita: Para o sistema operado em ZD Então podemos considera 𝛽3 ≈ 0, 𝐶 = 0 Para o sistema operado em = ZD Então podemos considera 𝛽3 ≠ 0 Propagação de pulsos com batimento (CHIRP) Limitação na taxa de dados “B” Limitações induzidas pela dispersão Curvas características da taxa de bits em função do comprimento da fibra para diferente larguras espectrais da fonte Propagação de pulsos com batimento (CHIRP) Limitação na taxa de dados “B”: efeito da frequência de batimento Limitações induzidas pela dispersão Largura de Banda das Fibras Ópticas Resposta de um sistema linear: Resposta para uma função de entrada impulso (t): Função de transferência espectral: (Filtro passa banda) Largura da Banda da fibra óptica: f3dB Função de transferência para um espectro Gaussiano (h(t) Gaussiano): Para Sistemas com ZD f1 << f2 Para Sistemas com = ZD f1 Perdas nas Fibras Ópticas Coeficiente de atenuação: Lei de Beer: Potência na entrada da fibra Potência na saída da fibra Contribuições dominantes para o coeficiente de atenuação: • Espalhamento Rayleigh • Imperfeições geométricas da fibra óptica • Absorção do material Coeficiente de atenuação para a sílica em = 1,55 m : 𝛼 = 0,16 𝑑𝐵/𝐾𝑚 Espalhamento Rayleigh 𝛼𝑅 = 𝑐 4 Flutuações randômicas do índice de refração: c= 0,7 a 0,9 (dB/Km)-m4𝜶𝑹 = 𝟎, 𝟏𝟐 𝒂 𝟎, 𝟏𝟔 𝒅𝑩/𝑲𝒎 Para = 1,55 m Imperfeições Geométricas Variação de forma (núcleo/cda externa): Espalhamento Mie Para 1% de variação: < 0.03 dB/Km Deformação de curvatura 𝜶 ~𝐞𝐱𝐩 (−𝑹 𝑹𝒄) R: Raio de curvatura 𝑅𝑐 = 𝑎 𝑛1 2 − 𝑛2 2 Fibra monomodo Rc = 0,2 – 0,4 m, R=5 mm < 0,01 dB/Km Perdas nas Fibras Ópticas Curvas espectrais típicas da perdas em uma fibra óptica monomodo Curvas espectrais de atenuação e dispersão para a fibra monomodo convencional e fibra seca respectivamente
Compartilhar